Технология производства стекла

Кристаллизация снижает механическую прочность, ухудшает вид изделия.

4. ПЛОТНОСТЬ. Плотность – это количество массы в единице объема. Плотность промышленных  стекол  лежит в пределах  от  2200  до  7500кг/м³.  Плотность зависит от состава, строения пространственного каркаса, «теплового прошлого» и т.д. При нагревании плотность стекол уменьшается. После отжига уменьшается объем и растет плотность стекла. Плотность листового стекла, вырабатываемого на ОАО «Саратовстройстекло» - 2500 +2 кг/м³

5. УПРУГОСТЬ,ХРУПКОСТЬ,ТВЕДОСТЬ. Стекло в области низких температур и высокой вязкости можно рассматривать как твердое, упругое, хрупкое.

Упругость – характеризует свойство материалов восстанавливать форму  и объем после прекращения  действия деформирующих сил. Стекло изотропный материал, его упругие  свойства не зависят от направления  действия сил, поэтому стекло в области  температур ниже температуры стеклования  испытывает только упругую деформацию.

Хрупкость – свойство твердых материалов разрушаться под действием возникающих  в  них  напряжений  без  заметной  пластической  деформации.  Хрупкость  характеризует неспособность материала  к релаксации напряжений, возникающих  в нем при деформации изделий. С ростом внешних усилий внутренние напряжения тоже растут и достигают  предела прочности, после чего материал разрушается. Мерой хрупкости материала  является сопротивление удару. Хрупкость  зависит от состава и «температурного  прошлого».

Твердость – является свойством  материала, определяемым способностью сопротивляться  истиранию, т.е. разрушению поверхностного слоя. Это разновидность  прочности – характеризует прочность  поверхностного слоя при вдавливании. Критерием прочности при вдавливании  является предел упругости, превышение которого ведет к разрушению твердого тела или к пластической деформации. Твердость зависит от прочности  химических связей материала.

6. ПРОЧНОСТЬ. Прочность – свойство материала сохранять свою целостность под воздействием внешних нагрузок. Мерой прочности является предел прочности – максимальное напряжение, вызывающее разрушение материала под действием статистических нагрузок. Различают предел прочности при растяжении, сжатии, изгибе, кручении, ударе и т.д. Прочность зависит от наличия дефектов на поверхности стекла, от химического состава и прочности связей в стекле. Повышение прочности стекол – одна из главных задач. На прочность стекла огромное влияние оказывает однородность стекла.

7. ХИМИЧЕСКАЯ УСТОЙЧИВОСТЬ. Химическая устойчивость стекла – это его способность противостоять разрушающему действию окружающей среды, т.е. воды, растворов солей, влаги и газов атмосферы, а также действию различных химических реагентов. Химическая устойчивость стекла зависит от  химического состава, параметров его производства и  природы реагентов и условий, при которых они действуют на стекло. Стекло тем более химически устойчиво, чем меньше в нем содержится щелочных компонентов, образующих легко гидролизирующиеся щелочные силикаты. Разрушение стекла химическими реагентами значительно усиливается при повышении их температуры.

8. ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ. Теплопроводностью называют способность веществ к самопроизвольной передаче тепловой энергии в направлении более низкой температуры за счет колебательного движения частиц. Теплопроводность характеризуется коэффициентом теплопроводности, который показывает, сколько калорий тепла протекает в единицу времени через противоположные грани 1см³ вещества при разности температур между этими гранями 1^оС. Теплопроводность стекол зависит от химического состава и растет с повышением температуры. Чем меньше теплопроводность стекла, тем оно менее термостойко, однако более восприимчиво к закалке.

9. ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА. К оптическим свойствам стекол относятся пропускание, поглощение, преломление, рассеяние и отражение света, которые являются результатом взаимодействия электромагнитного излучения со стеклом. Для листового стекла толщиной 10 мм пропускание света составляет 88 – 90%, поглощение колеблется от 0,5 до 3% в зависимости от содержания примесей красящих компонентов, отражение равно 8 – 9%. Высокая прозрачность листового стекла  обусловлена тем, что стекло является однородной и однофазной средой, отсутствуют границы раздела фаз, которые могут вызвать рассеяние света.

 Оптические свойства характеризуются  показателем преломления, который  выражается отношением синуса  угла падения к синусу угла  преломления светового луча. Это  отношение зависит от природы  смежных сред и длин волн  лучей, но не зависит от угла  падения, т.е. n=const.

Показатель преломления стекла зависит от ряда факторов, главным  образом, от плотности стекла, а следовательно  от его химического состава и  структуры. Чем выше плотность стекла, тем меньше скорость распространения  света.

2. Характеристика используемого сырья.

Для производства листового стекла используют шихту.

Шихта представляет собой однородную увлажненную смесь предварительно подготовленных сырьевых материалов, составленную в соответствии с заданным рецептом. Рецепт шихты рассчитывается исходя из заданного состава стекла с учетом химического состава  сырьевых материалов.

Увлажнение шихты до 4 – 5% уменьшает  пыление и предупреждает или  уменьшает расслоение шихты при  ее хранении и транспортировании.

Массовая доля влаги в шихте  после смешивания, % - 5,0 + 0,2

Массовая доля влаги в шихте  на загрузочных карманах ЛТФ-1,2,4, % - 4,6+0,1

Сырьевые материалы, применяемые  для производства стекла, условно  делят на основные (необходимые для  получения стекол заданного химического  состава) и вспомогательные (предназначенные для окрашивания стекла, придания ему непрозрачности или, наоборот, высокого светопропускания, а также для ускорения и облегчения подготовки расплава).

Для приготовления шихты  используются следующие сырьевые материалы: песок, карбонат кальция, доломит, полевой шпат, сода, сульфат натрия, уголь.

К основным сырьевым материалам для производства листового стекла относятся кварцевый песок, сода, доломит, полевой шпат, карбонат кальция. К вспомогательным сырьевым материалам относится сульфат натрия, уголь.

Кремнезем SiO₂ – главная составная часть всех силикатных стекол. SiO₂ повышает вязкость стекломассы, улучшает механические и химические характеристики, повышает тугоплавкость стекла и затрудняет его гомогенизацию, уменьшает показатель преломления, температурный коэффициент линейного расширения и плотность, повышает термостойкость, увеличивает склонность к кристаллизации. Для введения SiO₂ используется кварцевый песок. Применяется песок марок ВС-040 1, ВС-050-1, С-070-1.

Требования, предъявляемые  к песку (ГОСТ 22551-77):

Оксид натрия Na₂O (плавень) наряду с кремнеземом является важнейшей составной частью стекла.  Na₂O  ускоряет  стеклообразование,  понижает  температуру плавления и вязкость стекла, облегчает процесс осветления. Вместе с тем, Na₂O повышает плотность и температурный коэффициент линейного расширения, снижает химическую устойчивость и микротвердость стекла. Сырьевыми материалами, посредством которых в стекло вводится Na₂O, являются сода (Na₂СО₃) и сульфат натрия (Na₂SO₄). Сода может быть тяжелая и легкая. Чаще на предприятиях используется тяжёлая сода.

Преимущества тяжелой  соды:

1) лучшая теплопроводность  за счет меньшей пористости, поэтому  быстрее, легче и полнее происходит  расплавление шихты;

2) большая объемная масса,  что уменьшает пыление соды, шихты;

3) малая гигроскопичность, в связи с чем снижается  опасность получения шихты нестабильного  состава;

4) меньшая склонность  к комкованию и расслоению, что  способствует получению однородной  шихты.

Легкая сода – имеет  высокую дисперсность частиц соды (менее 0,1мм) – что ведет к пылению, способствует расслоению шихты, ухудшает условия труда, ускоряет износ стекловаренной печи и т.д.

Оксид магния MgO вводят в состав стекла доломитом (MgCO₃ x CaCO₃). МgО уменьшает температуру плавления стекломассы и склонность к кристаллизации при концентрации до 6% (с увеличением концентрации температура плавления и склонность к кристаллизации повышаются), повышает поверхностное натяжение. При содержании в стекле более 2% оксида магния время провара и осветления увеличивается. Несколько снижает устойчивость стекла к действию воды. Повышает температурный коэффициент  линейного расширения, но меньше, чем СаО.

Оксид кальция CaO вводят в состав стекла  карбонатом кальция (CaCO₃). СаО снижает температуру плавления и вязкость, улучшает механические и химические свойства, но усиливает склонность к кристаллизации, повышает плотность.

Оксид алюминия Al₂O₃ вводят в состав стекла полевым шпатом (K₂O x Na₂O x Al₂O₃ x 6SiO₂). Al₂O₃ повышает температуру плавления, вязкость и температуру размягчения, повышает поверхностное натяжение, ухудшая проваривание стекломассы и ее гомогенизацию, увеличивает химическую стойкость, улучшает механические свойства и теплопроводность, уменьшает температурный коэффициент линейного расширения и агрессивность расплава, снижает склонность стекла к кристаллизации.

Установлено, что оптимальными для стекловарения являются кварцевые  пески с размером зерен от 0,1 до 0,4мм. Согласно требованиям ГОСТ 22551-77, содержание зерен крупностью более 0,8мм в обогащенных стекольных песках не должно превышать 0,5%, а в природных – 5%. Для зерен размером менее 0,1мм эти показатели составляют соответственно 5 и 15%.

Для доломита требования к  гранулометрическому составу следующие  – от 0,6 1,0мм не более 5%; менее 0,1мм не более 10%. Для полевого шпата –  более 0,8мм не допускаются вообще; от 0,7 до 0,8мм не более 5%; менее 0,06мм не более 5%.

Если размеры зерен  сырьевых материалов будут больше 0,8мм, то во время варки стекла могут  появиться непровары, т.к. крупные  зерна провариваются трудно и  медленно. Пылевидные зерна – комкуются, и в такой стекломассе много  «мошки».

2. Характеристика технологии производства листового стекла.

Листовое стекло в настоящее  время вырабатывают в основном механизированным способом одним из следующих методов: вертикальным вытягиванием ленты стекла лодочным способом через щель шамотной лодочки; вертикальным вытягиванием ленты безлодочным способом со свободной поверхности стекломассы; вытягиванием ленты стекла вверх со свободной поверхности стекломассы с последующим перегибом ее на 90" на стальном барабане (вертикально-горизонтальное вытягивание стекла); прокатом стекломассы через два (иногда более) охлаждаемых металлических валка (прокатным способом); формованием ленты стекла силами тяжести и поверхностного натяжения на поверхности расплавленного металла (флоат-способом, который еще называют методом огневой полировки).

Как уже было сказано, для производства листового стекла используется шихта (смеси природных или искусственных  сырьевых материалов). Шихту загружают  в печь, где из нее при соответствующей  температуре получают расплав –  стекломассу, которую выдерживают  в печи достаточное время для  того, чтобы она приобрела необходимую  однородность. Затем температуру  расплава снижают. Это увеличивает  его вязкость и дает возможность  формовать ленту стекла. После  формования ленту стекла подвергают термической обработке, которую  проводят медленно и постепенно (отжиг). Окончательная обработка изделий предусматривает резку ленты стекла на заданные размеры и упаковку готового стекла. Для получения однородных расплавов сырьевые материалы должны иметь постоянный химический состав как в объеме партий, поступающих в производство (химическая однородность или постоянство состава внутри партии), так и во времени между последовательно поступающими партиями (постоянство состава во времени).

Лодочный способ производства стекла.

 Основа  составов большинства видов листового  стекла – система SiO₂ – CaO – Na₂O, в которой часть CaO заменена на MgO, часть SiO₂ – на Al₂O₃ и часть Na₂O – на К₂О. Основной рабочий орган при вытягивании ленты по этому способу — лодочка— длинный шамотный прямоугольный брус со сквозным продольным вырезом, переходящим в верхней части в щель. Лодочка погружается в бассейн со стекломассой в зоне выработки так, что верхняя кромка щели находится ниже уровня стекломассы. Под влиянием гидростатического напора стекломасса выдавливается через щель по всей ее длине и выступает над верхними ее гранями в виде луковицы. Выдавливаемая из щели стекломасса не растекается, так как этому препятствует ее повышенная вязкость и силы поверхностного натяжения. Чтобы вытянуть стекломассу через щель, пользуются специальной затравочной рамой. Стекломасса прилипает к затравочной раме и, двигаясь вслед за ней кверху, вытягивается в виде лепты. По выходе из лодочки лента стекла захватывается системой вращающихся валиков и движется вверх. Дли успешного формования ленты стекла необходимы холодильники. При формовании ленты стекла применяют бортодержатели, которые удерживают борта ленты и дополнительно охлаждают их за счет отвода теплоты. По мере подъема ленты стекла кверху производят продольную отрезку бортов (так как они обычно утолщены) и поперечную резку на отдельные листы. Отломленные листы стекла укладывают на конвейер, который доставляет их к месту, где они охлаждаются, раскраиваются, сортируются и упаковываются. Для варки листового стекла применяют в основном большие регенеративные ванные печи непрерывного действия. Варочная и выработочная части таких печей разделены по стекломассе заградительными лодками или другими преградами, а по газовой среде — динасовыми экранами.